CN104317248B - 形状不规则区域的铣削轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，将铣削加工中残留的形状不规则区域，分为软边界和硬边界，包括如下：沿硬边界走一刀，保证处理软边界时不会与硬边界发生干涉；将软边界网格化，根据遍历所有网格的路线生成走刀轨迹。采用主元分析法确定软边界的第一主元，生成旋转矩阵，以达到旋转软边界区域使其占用最少网格的目的；旋转完边界后，上下左右平移软边界，找到包容该软边界区域的最小网格数，并在该情况下对该软边界进行网格划分，记录下所有需要的加工网格区域。所述网格的宽度为切宽。本发明根据软边界与硬边界数据，结合切宽等工艺参数，规划出去除不规则形状区域的刀具铣削轨迹，提高数控加工的效率。

Description

形状不规则区域的铣削轨迹生成方法

技术领域

本发明涉及铣削加工领域，具体地，涉及一种形状不规则区域的铣削轨迹生成方法。

背景技术

在铣削过程中，常常会残留形状不规则的区域需要后续工序进行处理。而在处理这类问题时，会将这些区域的边界分为两类，一类是软边界，这种边界铣刀是可以穿越的，例如图1中虚线所示的边界，软边界围成的区域都是需要去除的形状不规则区域；而另一类是硬边界，这种边界铣刀是不可以穿越的，例如图1中实线所示的边界，这类边界是零件加工中要求保留的边界，其形状不能被破坏。

目前，在处理这类问题时，如果使用手动方式进行去除，效率较低；但如果使用数控方式进行去除，就存在着刀具轨迹规划的问题。如果规划不当，会使刀具和硬边界产生干涉，或者是软边界去除不干净等情况的发生。目前国内还没有一套成熟的方法解决此类问题。因此，需要提出一种刀具轨迹的优化方法，针对这类问题规划出一套比较优化的刀具轨迹。

经过对现有技术的检索，发现申请号为201210451978.0，发明名称为一种不规则形状钢部件的成形方法，该发明属于机械加工技术领域。采用铸造的方法，加工出坯料，然后采用热机械加工的方法，分别将坯料加工成坯材，然后采用排布、叠层、堆垛的方法将坯材放入热等静压包套中，经过封边焊、真空封装后支撑预制坯，将预制坯放入到热等静压炉中进行扩散连接，然后将包套去除，制备出不规则形状的钢部件。本发明方法可以用于制备各种合金成分、各种形状的高性能结构件，而且不需要大型的热机械加工设备，具有效率高和成本低的优点，适用于制备各种高强钢结构。但是该发明过程复杂，成本较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种形状不规则区域的铣削轨迹生成方法。

根据本发明提供的形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，将铣削加工中残留的形状不规则区域，分为软边界和硬边界，包括如下步骤：

步骤1：沿硬边界走刀，保证处理软边界时不会与硬边界发生干涉；

步骤2：将软边界网格化，根据遍历所有网格的路线生成走刀轨迹。

优选地，所述网格的宽度为刀具的切宽。

优选地，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：采用主元分析法确定软边界加工区域的第一主元方向并生成旋转矩阵；

步骤2.2：将软边界网格化，旋转软边界并将软边界上下左右平移使软边界的加工区域占用最小网格数；

步骤2.3：使用扫描线方法扫描网格，并记录每条扫描线的端点网格，同一条扫描线的两个端点网格为一组构成图结构；将第一条扫描线与最后一条扫描线的端点网格作为软边界的备选的加工起点或加工终点；

步骤2.4：选取加工起点，针对图结构采用最短路径法按顺序遍历所有端点网格，从而生成遍历所有需要加工网格的走刀轨迹；

步骤2.5：对不同软边界的加工区域采用最短路径法按顺序遍历所有的加工区域直至所有软边界的加工区域的加工轨迹生成。

优选地，所述步骤2.1具体为：用主元分析法对软边界的控制点进行分析，得到软边界的第一主元方向，即得到第一主元方向的单位向量(m，n)，根据建立旋转矩阵ROT：

对于软边界加工区域中加工坐标系中的点(X，Y)，令(PX，PY)＝(X，Y)×ROT得到以(m，n)方向为坐标轴的主元坐标系下软边界上加工区域点的坐标(PX，PY)，θ为第一主元方向与加工坐标系中X轴的夹角。

优选地，所述步骤2.2具体为：在主元坐标系下，将软边界上的点(PX_i，PY_i)中，i为自然数，第一个点的坐标(PX₀，PY₀)设为(0，0)，设网格宽度为刀具的切宽b，初始网格数N₀＝1,设此时点(PX₀，PY₀)所在网格的网格坐标(e，f)为(0，0)，Dx为依次累加在软边界上下一个点的坐标与上一个点的坐标在X轴方向的距离dx，Dy为依次累加在软边界上下一个点的坐标与上一个点的坐标在Y轴方向的距离dy，则

Dx＝∑dx

Dy＝∑dy

每当Dx>b时，则下一个点位于与当前网格相邻的右方网格内,此时令网格坐标的横坐标e＝e+1，网格数N＝N+1,同时令X方向累加器Dx＝Dx-b,继续累加后续点；

每当Dx<0时，则下一个点位于与当前网格相邻的左方网格内，此时令网格坐标的横坐标e＝e-1，网格数N＝N+1，同时令X方向累加器Dx＝Dx+b，继续累加后续点；

同理，每当Dy>b时，则下一个点位于与当前网格相邻的上方网格内，此时令网格坐标的纵坐标f＝f+1，网格数N＝N+1，同时令Y方向累加器Dy＝Dy-b，继续累加后续点；

每当Dy<0时，则下一个点位于与当前网格相邻的下方网格内，此时令网格坐标的纵坐标f＝f-1，网格数N＝N+1，同时令Y方向累加器Dy＝Dy+b，继续累加后续点；直到软边界上所有点累加完成同时记录软边界上的点所占用的网格，即网格总量；

改变第一个点在主元坐标系下的坐标(PX₀，PY₀)，让第一个点在0≤PX₀≤b，0≤PY₀≤b范围内变化，当找到软边界的加工区域占用网格总量最小时，完成该加工区域的网格划分；

在主元坐标系下，将边界网格的坐标按公式

转化成网格坐标(NPx，NPy)，然后令(Nx，Ny)＝(NPx，NPy)×ROT′得到加工坐标系下软边界的网格坐标(Nx，Ny)。

优选地，所述步骤2.3具体为：对于软边界加工区域的边界网格，以平行于第一主元方向(m，n)的扫描线扫描网格，与每条扫描线相交的边界网格为端点网格，并将端点网格按照扫面线顺序排序，记为(NPxi，NPyi)(i＝1、2、3...)，其中同一条扫描线的两个端点网格为一组构成图结构；选取第一条扫描线和最后一条扫描线的四个端点网格，即(NPx₁，NPy₁)、(NPx₂，NPy₂)、(NPx_n，NPy_n)、(NPx_n-1，NPy_n-1)作为备选的加工起点或加工终点，n为边界网格数。

优选地，所述步骤2.4具体为：任意选取加工起始点，对图结构之间采用最短路径算法求出遍历所有需要加工的网格的路径，生成该区域的加工路径，并记录终点坐标。

优选地，所述步骤2.5具体为：在一个加工区域的加工终点处对剩余加工区域的备选加工起点进行距离计算，选取最短路径跳到下一加工区域，直至所有加工区域的加工轨迹生成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明根据软边界与硬边界数据，结合切宽等工艺参数，规划出去除不规则形状区域的刀具铣削轨迹，提高数控加工的效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中形状不规则区域铣削加工的示意图；

图2为本发明中形状不规则区硬边界处理完之后的示意图；

图3为本发明中网格化软边界之后的示意图；

图4为本发明中各个软边界区域可能加工起点和终点分布图；

图5为本发明中软边界加工区域可能加工路径示意图；

图6为本发明中针对软边界生成的刀具轨迹示意图；

图7为本发明中轨迹生成方法的流程图。

图中：

1为硬边界；

2为软边界；

3为处理后的硬边界；

4为加工起点；

5为加工轨迹。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实例中，如图1、图2、图3、图4、图5、图6以及图7所示，本发明提供的形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，该方法可以根据读入的软、硬边界信息，自动规划出刀具铣削轨迹。将铣削加工中残留的形状不规则区域，分为软边界和硬边界，包括如下步骤：

步骤1：沿硬边界走一刀，保证处理软边界时不会与硬边界发生干涉，具体为：优先处理硬边界，让铣刀先沿着硬边界走一刀，过程中会去除软边界的一部分确保处理软边界时不会使刀具和硬边界发生干涉。在这过程中会切除掉软边界的一部分，这样在处理剩余的软边界的时候，刀具就不会和硬边界发生干涉。

步骤2：将软边界网格化，根据遍历所有网格的路线生成走刀轨迹。

处理完硬边界之后，根据残余的软边界信息，将软边界围成的各个封闭区域网格化处理，将切宽作为网格宽度对每一块软边界进行网格划分，得到每一块软边界围成的封闭区域占用的网格坐标，这样，刀具只要遍历这些网格，便完成了对软边界的去除。针对软边界区域进行处理的具体步骤如下：

步骤1：用主元分析法对软边界的控制点进行分析，得到软边界的第一主元方向，即得到第一主元方向的单位向量(m，n)，根据建立旋转矩阵ROT：

对于软边界加工区域中加工坐标系中的点(X，Y)，令(PX，PY)＝(X，Y)×ROT得到以(m，n)方向为坐标轴的主元坐标系下软边界上加工区域点的坐标(PX，PY)。这样，软边界上所有的点大致就会集中在以第一主元方向为长轴的椭圆内，这样以主元坐标系建出的可以包容整个封闭区域的网格数最少。

步骤2：在主元坐标系下对该软边界加工区域进行网格划分，具体方法为，在主元坐标系下，将软边界上的点(PX_i，PY_i)中，i为自然数，第一个点的坐标(PX₀，PY₀)设为为(0，0)，设网格宽度为刀具的切宽b，设此时点(PX₀，PY₀)所在网格的网格坐标(e，f)为(0，0)，Dx为依次累加在软边界上下一个点的坐标与上一个点的坐标在X轴方向的距离dx，Dy为依次累加在软边界上下一个点的坐标与上一个点的坐标在Y轴方向的距离dy，则

Dx＝∑dx

Dy＝∑dy

每当Dx>b时，则下一个点位于与当前网格相邻的右方网格内,此时令网格坐标的横坐标e＝e+1，网格数N＝N+1,同时令X方向累加器Dx＝Dx-b,继续累加后续点；

每当Dx<0时，则下一个点位于与当前网格相邻的左方网格内，此时令网格坐标的横坐标e＝e-1，网格数N＝N+1，同时令X方向累加器Dx＝Dx+b，继续累加后续点；

同理，每当Dy>b时，则下一个点位于与当前网格相邻的上方网格内，此时令网格坐标的纵坐标f＝f+1，网格数N＝N+1，同时令Y方向累加器Dy＝Dy-b，继续累加后续点；

每当Dy<0时，则下一个点位于与当前网格相邻的下方网格内，此时令网格坐标的纵坐标f＝f-1，网格数N＝N+1，同时令Y方向累加器Dy＝Dy+b，继续累加后续点；直到软边界上所有点累加完成同时记录软边界上的点所占用的网格，即网格总量。

其中，e为当前网格坐标的横坐标，e+1表示网格坐标的横坐标+1，即当前网格向右平移了一格，e-1为表示网格坐标的横坐标-1，即当前网格向左平移了一格；

f为当前网格坐标的纵坐标，f+1表示网格坐标的纵坐标+1，也就是当前网格向上平移了一格，f-1表示网格坐标的纵坐标-1，也就是当前网格向下平移了一格。

步骤3：在主元坐标系下，沿X方向和Y方向平移网格，具体方法为，改变第一个点在主元坐标系下的坐标(PX₀，PY₀)，让其在0≤PX₀≤b，0≤PY₀≤b范围内变化，重复步骤3，当找到软边界占用网格数量N最小时，完成该区域的网格划分。

步骤4：在主元坐标系下，划分完成后将所有边界网格的坐标按公式

转化成优选地下网格坐标(NPx，NPy)，然后令(Nx，Ny)＝(NPx，NPy)×ROT′得到加工坐标系下软边界的网格坐标(Nx，Ny)。

步骤5：重复步骤1至步骤4，完成所有软边界的加工区域网格划分，得到在加工坐标系下软边界的边界网格坐标。

步骤6：对于每一个软边界区域的边界网格，以平行于各自第一主元方向(m，n)的扫描线扫描该区域的边界网格，与每条扫描线相交的边界网格为该扫描线的端点网格，并按照扫面线顺序排序，记为(NPxi，NPyi)(i＝1、2、3...)。其中同一条扫描线的两个端点网格为一组构成图结构。同时，选取第一条和最后一条扫描线的两个端点网格(即(NPx₁，NPy₁)、(NPx₂，NPy₂)、(NPx_n，NPy_n)、(NPx_n-1，NPy_n-1)，n为边界网格数)作为可能的加工起始点或加工终点。每一块区域都有4个可能的加工起点和终点。

步骤7：任意选取可能加工起点和终点4个网格其中的一个网格作为加工的起点，针对所有端点网格，同一条扫描线的两个端点网格为一组，得到如图5所示的加工可能路径示意图，图中方框表示一个节点，(NPx₁，NPy₁)-(NPx₂，NPy₂)指从(NPx₁，NPy₁)端点网格加工到(NPx₂，NPy₂)端点网格，这样加工每一条扫面线都有两种节点情况，完成所有扫描线的加工便完成了整个区域的加工，两个节点情况之间的距离就是上一个节点的终点网格与下一个节点起点网格的距离，对该图结构采用最短路径算法，便可求出遍历该区域的所有需要加工的网格的最佳路径，生成该区域的加工路径，并记录终点坐标。

步骤8：在上一个加工区域的终点处对剩余区域的加工可能起点进行距离计算，选取最短路径跳到下一块区域重复步骤7直至所有的软边界加工轨迹生成完毕。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，将铣削加工中残留的形状不规则区域，分为软边界和硬边界，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：沿硬边界走刀，保证处理软边界时不会与硬边界发生干涉；

步骤2：将软边界网格化，根据遍历所有网格的路线生成走刀轨迹；

所述网格的宽度为刀具的切宽所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：采用主元分析法确定软边界加工区域的第一主元方向并生成旋转矩阵；

步骤2.2：将软边界网格化，旋转软边界并将软边界上下左右平移使软边界的加工区域占用最小网格数；

步骤2.3：使用扫描线方法扫描网格，并记录每条扫描线的端点网格，同一条扫描线的两个端点网格为一组构成图结构；将第一条扫描线与最后一条扫描线的端点网格作为软边界的备选的加工起点或加工终点；

步骤2.4：选取加工起点，针对图结构采用最短路径法按顺序遍历所有端点网格，从而生成遍历所有需要加工网格的走刀轨迹；

步骤2.5：对不同软边界的加工区域采用最短路径法按顺序遍历所有的加工区域直至所有软边界的加工区域的加工轨迹生成。

2.根据权利要求1所述的形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤2.1具体为：用主元分析法对软边界的控制点进行分析，得到软边界的第一主元方向，即得到第一主元方向的单位向量(m，n)，根据建立旋转矩阵ROT：

$ROT=\left(\begin{array}{cc}cos\mathrm{\&theta;}& -sin\mathrm{\&theta;}\\ sin\mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right)$

对于软边界加工区域中加工坐标系中的点(X，Y)，令(PX，PY)＝(X，Y)×ROT得到以(m，n)方向为坐标轴的主元坐标系下软边界上加工区域点的坐标(PX，PY)，θ为第一主元方向与加工坐标系中X轴的夹角。

3.根据权利要求1所述的形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为：在主元坐标系下，将软边界上的点(PX_i，PY_i)中，i为自然数，第一个点的坐标(PX₀，PY₀)设为(0，0)，设网格宽度为刀具的切宽b，初始网格数N₀＝1,设此时点(PX₀，PY₀)所在网格的网格坐标(e，f)为(0，0)，Dx为依次累加在软边界上下一个点的坐标与上一个点的坐标在X轴方向的距离dx，Dy为依次累加在软边界上下一个点的坐标与上一个点的坐标在Y轴方向的距离dy，则

Dx＝∑dx

Dy＝∑dy

每当Dx>b时，则下一个点位于与当前网格相邻的右方网格内,此时令网格坐标的横坐标e＝e+1，网格数N＝N+1,同时令X方向累加器Dx＝Dx-b,继续累加后续点；

每当Dx<0时，则下一个点位于与当前网格相邻的左方网格内，此时令网格坐标的横坐标e＝e-1，网格数N＝N+1，同时令X方向累加器Dx＝Dx+b，继续累加后续点；

同理，每当Dy>b时，则下一个点位于与当前网格相邻的上方网格内，此时令网格坐标的纵坐标f＝f+1，网格数N＝N+1，同时令Y方向累加器Dy＝Dy-b，继续累加后续点；

每当Dy<0时，则下一个点位于与当前网格相邻的下方网格内，此时令网格坐标的纵坐标f＝f-1，网格数N＝N+1，同时令Y方向累加器Dy＝Dy+b，继续累加后续点；直到软边界上所有点累加完成同时记录软边界上的点所占用的网格，即网格总量；

改变第一个点在主元坐标系下的坐标(PX₀，PY₀)，让第一个点在0≤PX₀≤b，0≤PY₀≤b范围内变化，当找到软边界的加工区域占用网格总量最小时，完成该加工区域的网格划分；

在主元坐标系下，将边界网格的坐标按公式

$\left\{\begin{array}{c}NPx=P{X}_0+e*b\\ NPy=P{Y}_0+f*b\end{array}\right.$

转化成网格坐标(NPx，NPy)，然后令(Nx，Ny)＝(NPx，NPy)×ROT′得到加工坐标系下软边界的网格坐标(Nx，Ny)。

4.根据权利要求1所述的形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为：对于软边界加工区域的边界网格，以平行于第一主元方向(m，n)的扫描线扫描网格，与每条扫描线相交的边界网格为端点网格，并将端点网格按照扫面线顺序排序，记为(NPxi，NPyi)(i＝1、2、3...)，其中同一条扫描线的两个端点网格为一组构成图结构；选取第一条扫描线和最后一条扫描线的四个端点网格，即(NPx₁，NPy₁)、(NPx₂，NPy₂)、(NPx_n，NPy_n)、(NPx_n-1，NPy_n-1)作为备选的加工起点或加工终点，n为边界网格数。

5.根据权利要求1所述的形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤2.4具体为：任意选取加工起始点，对图结构之间采用最短路径算法求出遍历所有需要加工的网格的路径，生成该区域的加工路径，并记录终点坐标。

6.根据权利要求1所述的形状不规则区域的铣削轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤2.5具体为：在一个加工区域的加工终点处对剩余加工区域的备选加工起点进行距离计算，选取最短路径跳到下一加工区域，直至所有加工区域的加工轨迹生成。